ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 10.04.2024
Просмотров: 198
Скачиваний: 1
•— в потоке газа-носителя;
—«бокс-методом»;
—из поверхностного источника;
—из легированного окисла.
Наибольшее распространение для диффузии бора и фосфора к настоящему времени получил метод диффузии в потоке газа-носи теля, называемый иногда также «методом открытой трубы». Этот ме тод имеет три варианта в зависимости от типа источника.
При диффузии с использованием твердого диффузанта (борный ангидрид, пятиокись фосфора) метод предполагает применение двухзонной печи, одна зона которой служит для насыщения газа-носите ля парами диффузанта, а другая — для введения примеси в кремний.
При использовании жидкого (трехбромистый бор, хлорокись фосфора) или газообразного (смесь диборана или фосфина с аргоном) источника примеси применяется однозонная диффузионная печь. Примесь вводится в поток при прохождении газа-носителя над жид ким источником либо из газообразного источника. Токсичность и взрывоопасность большинства перечисленных выше жидких и газо образных диффузантов требуют применения строгих мер для обес печения безопасности работы персонала.
Диффузия бора и фосфора в кремний происходит из оседающих на поверхность окислов бора и фосфора, в связи с чем в качестве га за-носителя может быть использован инертный газ (аргон, азот, гелий) в случае диффузии из Р 2 0 5 в В 2 0 3 и инертный газ с примесью кислорода — в остальных приведенных выше способах.
Диффузия «бокс-методом» является вариантом диффузии в пото ке и отличается тем, что твердый источник примеси (борный ангид рид или специальное стекло) помещается в отдельный бокс в непосред-
X, м'км |
|
|
Х,мкм |
|
1,0 |
|
|
|
|
0,5 |
|
|
|
|
0,2 |
|
|
|
|
0,1 |
|
о, в |
|
10' |
0,6 |
0,7 |
0,9 |
Т, К |
|
то |
юоо |
|
|
|
1300 |
1100 |
900 |
800 |
|
а)
Рис. 1.11. Температурная зависимость минимальной толщины окисла, необ ходимой для маскировки при 30-мин диффузии фосфора (а) и зависимость минимальной толщины окисла при диффузии бора от времени и температуры диффузии (б) [1] .
31
ственной близости от пластин при температуре диффузии. Поток га за — обычно азота или аргона — создает контролируемую атмос феру в боксе. В качестве источников примеси применяют борный ан гидрид, а также смеси борного и фосфорного ангидрида с окислами кремния или германия. Иногда источник располагают равномерно
внепосредственной близости от пластин, и необходимость примене ния бокса отпадает, однако этот метод еще нельзя назвать диффузией
впотоке газа-носителя, так как источник примеси не поступает из потока газа. Схематически варианты бокс-метода изображены на рис. 1.12.
Введение примеси может быть также осуществлено из поверх ностного источника, который представляет собой стекло определен ного состава, нанесенное на поверхность пластины. Стекло наносят по методике, аналогичной методике нанесения фоторезиста из рас твора, например, борного ангидрида в спирте либо эмульсий или суспензий, содержащих нужную примесь. В последнем случае нанесенный слой спекают при температуре 400—600° С перед диф фузией.
В последнее время получает распространение поверхностный источник примеси в виде легированного окисла [4]. Диффузия из легированного окисла позволяет в широких пределах варьировать концентрацию вводимых примесей и дает хорошо воспроизводимые результаты, что является главным преимуществом метода. Легиро ванный окисел может быть получен методом пиролиза силана в ат мосфере, содержащей нужную примесь, либо методом анодирования в растворах, обеспечивающих осаждение анодного окисла в задан ной концентрации примеси.
Сравнивая способы проведения диффузии в потоке газа-носи теля, следует отметить, что методы с использованием жидких и осо бенно газообразных диффузантов дают более воспроизводимые ре зультаты, однако техника их осуществления сложна и требует осо бых мер предосторожности.
Рассмотрим процесс перераспределения примесей, называемый также второй стадией диффузии или «разгонкой». Обычно в процессе
|
|
|
Ж. |
|
|
|
[ Л Л Л Л Х Х ^ У У Х Х Х Х Х Х Х Х Х Х Х Х ^ ' |
|
|
|
|
B2D3 |
Si |
|
|
|
\))/'ГП W///1 |
2=1 |
|
|
|
Kdapu |
|
|
|
|
Источник |
Пластины |
Si |
Источник |
Пластины |
Si |
|
|
Рис. 1.12. Варианты |
диффузии |
бокс-методом. |
|
|
32
введения примесей достигается предельная концентрация, завися щая от растворимости данной примеси в кремнии. Для большинства приборов, в том числе и для транзисторов, требуются поверхност ные концентрации активных областей, отличные от предельной. Получение нужного распределения примесей, а также создание слоя окисла, маскирующего последующую диффузию, либо слоя окисла, пассивирующего готовую структуру, происходит на второй ста дии диффузии. В связи с этим в планарной технологии кремниевых
приборов перераспределение |
примесей проводится одновременно |
с термическим окислением поверхности. |
|
Процесс осуществляется |
в трубчатой печи, конструкция кото |
рой не отличается от печи для термического окисления кремния. Вторая стадия диффузии ведется при более высоких температурах (от 1050 до 1250° С) в течение нескольких часов, что обусловливается необходимостью получения р-п переходов с глубиной залегания в не сколько микрон. Атмосфера — та же, что и при термическом окис лении: сухой или увлажненный парами воды кислород.
Кроме вышеописанных основных процессов диффузии, в пла нарной технологии на кремнии при изготовлении переключающих транзисторов используется диффузия золота. Атомы золота в крем нии являются центрами рекомбинации носителей заряда и резко снижают время жизни последних, что приводит к увеличению бы стродействия транзисторов. Золото вводится в кремний из поверх ностного источника, представляющего собой тонкую пленку ме талла, напыленного испарением в вакууме. Диффузия золота прово дится при температуре около 1000° С в течение нескольких десятков минут.
1.6. Заключительные этапы изготовления кремниевых планарных транзисторов
Важным фактором для серийного производства планарных тран зисторов является возможность измерения отдельных параметров планарных структур, начиная с первых операций технологического процесса, и почти полного контроля параметров будущих прибо ров путем замера характеристик структур на пластине, готовой к сборке. Это дает возможность более точно управлять технологи ческим процессом, улучшить воспроизводимость параметров прибо ров и резко увеличить выход годных структур. На сборочные опера ции, которые из-за своего индивидуального характера являются наиболее "трудоемкими в цикле изготовления транзисторов, посту пают только кристаллы с годными" планарными транзисторными структурами, что обеспечивает высокий выход годных планарных приборов при сборке.
Готовые к сборке пластины с планарными структурами прежде всего разбраковываются по параметрам с помощью ЭВМ на зондовой установке. Схема установки контроля представлена на
рис. 1.13. |
Пластина помещается на столик манипулятора и ориен- |
2 Зав. 190 |
33 |
тируется; зонды настраиваются на крайнюю структуру, после чего установка в автоматическом режиме проводит измерения заданных параметров структур и маркирует (закрашивает) бракованные струк туры. Измерения проводят с помощью специального тестера, кото рый задает режим измерений и выдает результат на ЭВМ. ЭВМ сравнивает результаты измерений с имеющимися в ее памяти нор мами на каждый измеряемый параметр и выдает команду на испол няющее устройство, которое переводит зонды на следующую струк туру. При этом исполняющее устройство маркирует бракованные структуры.
Пластина после проверки поступает на операцию «разделение на кристаллы». Разделение производится скрайбированием с по мощью алмазного резца с последующим разламыванием пластины по линиям скрайбирования на специальных приспособлениях. Раз деленные кристаллы поступают на контроль по внешнему виду под микроскопом, в результате которого из общего количества кристал лов выбрасываются замаркированные бракованные структуры, а также структуры с явными механическими дефектами (царапинами, сколами и др.), случайно образовавшимися при скрайбировании и разламывании.
Годные кристаллы монтируются в корпус, контактные площад ки транзисторных структур соединяются при помощи термокомпрес сионной сварки с выводами корпуса, и прибор герметизируется. Все эти операции выполняются с помощью поточно-механизирован ных линий сборки, либо (для приборов специального назначения) на индивидуальных установках. Поточно-механизированные линии сборки для транзисторов широкого применения работают в автома тическом режиме. Кристаллы при этом загружаются через вибро бункер и, ориентированные контактными площадками в нужную сторону, помещаются на движущийся конвейер. Автоматические манипуляторы снимают каждый кристалл с конвейера и помещают его на основании корпуса, на которое перед этим другой манипуля тор кладет прокладку из золотой фольги. Далее производится на грев до плавления эвтектики кремний — золото, и кристалл припа-
Микроско.п
Перемещающее устройство _ |— С пластиной. Si
Рис. 1.13. Схема провер ки пластин на зондовой установке.
34
Торных структур или «заготовок» приборов |
в Процессе |
сборки, ію |
|
и прежде всего —• в своевременной оценке |
физических |
параметров |
|
структуры, таких, как удельное |
сопротивление исходного материа |
||
ла, однородность окисного слоя, |
глубина залегания р-п |
переходов, |
|
уровень легирования диффузионных слоев и т. д. Контроль техно логического цикла проводится пооперационно. Принцип поопера
ционного контроля состоит |
в своевременном обнаружении |
брака |
||
на той или иной стадии |
процесса, с тем чтобы не допустить его на |
|||
последующие операции |
и |
получить |
максимальный выход |
годных |
приборов при минимальных |
затратах. |
|
||
Основой планарной технологии |
является, как уже отмечалось, |
|||
получение окисной маски, фотолитографическая обработка и ло кальная диффузия. В соответствии с этим главными видами контроля при изготовлении кремниевых пленарных структур являются кон троль качества окисных пленок, фотолитографических операций и параметров диффузии.
При контроле качества окисных пленок принимается во внима ние толщина, плотность, однородность и величина поверхностного заряда, причем толщина окисла является важным параметром, по скольку от нее зависит маскирующая способность пленки при ло кальной диффузии.
Наиболее |
распространенными |
методами |
контроля толщины |
|
окисла являются |
измерения с |
помощью |
интерференционного |
|
микроскопа. |
Для |
этого стравливают окисел |
с части поверхности |
|
кремния, напыляют отражающий слой (чаще всего слой алюминия) и измеряют высоту полученной ступеньки окисел — поверхность исходного кремния. Существуют и более.точные методы определения толщины окисла, например эллипсометрия —• метод, основанный на измерении интенсивности отражения линейно-поляризованного све тового луча. Однако на практике в большинстве случаев достаточно определить порядок толщины окисла по цветовой таблице, исполь зующей соответствие интерференционной окраски окисной пленки при рассмотрении в белом нормальном свете.
Плотность окисных пленок кремния контролируют с помощью
травления в стандартных |
травителях и методами |
инфракрасной |
|
спектроскопии. |
Более «рыхлые» окисные пленки, |
полученные |
|
в увлажненном |
кислороде, обнаруживают дополнительное поглоще |
||
ние ИК лучей в области À = |
2,75 мкм. |
|
|
Однородность окисных |
пленок можно оценить при рассмотре |
||
нии их в темном поле металлургического микроскопа. Более нагляд но дефекты обнаруживаются при помощи травления пластин с окис лом в атмосфере хлора при 700° С. При этом хлор проникает сквозь поры в окисле и образует ямки травления в кремнии, хорошо видимые под микроскопом.
Плотность поверхностного заряда окисных пленок на кремнии измеряется С — U методом, основанным на измерении емкости структур металл — окисел — полупроводник (МОП структур). Сущность метода состоит в том, что дифференциальная емкость МОП
36
структуры |
представляют |
собой две параллельно |
соединенные |
|||
емкости: емкость окисла |
С 5 ю 2 |
= esio2 &0S/X, |
где |
X — толщина |
||
пленки Si02 , a |
S — площадь |
металлического контрэлектрода на |
||||
последней, |
и |
емкость |
приповерхностного |
пространственного |
||
заряда в кремнии, зависящая от величины и полярности постоянного напряжения смещения U на структуре. Сняв зависимость от напря
жения U |
емкости такого конденсатора на малом сигнале |
(итеіш, |
|
Um<.kT/q) |
высокой частоты |
МГц), когда быстрые поверхност |
|
ные состояния на границе раздела Si — Si0 2 не влияют на величину
полной емкости, и сравнив |
ее с теоретической |
кривой |
(построенной |
|||
без учета заряда |
в окисле), по величине |
сдвига вдоль оси напряже |
||||
ний определяют |
величину |
поверхностного |
заряда |
окисла |
Qsio2 |
|
[5]. Практически МОП-конденсаторы |
изготовляются |
напылением |
||||
в вакууме через маску контрэлектродов из алюминия диаметром |
при |
|||||
мерно 1 мм на исследуемую пленку, созданную на не слишком низкоомном кремнии (р > 1 Ом-см). Измерения проводятся с помощью мостов Л2-7 и Л2-8 на частотах 1 или 10 МГц соответственно.
При фотолитографической обработке контролируют толщину слоя фоторезиста, качество проявления и линейные размеры полу ченного рельефа в окисной маске. Этот контроль необходим для получения повторяемых результатов процесса при неизменных ре жимах термообработки и экспонирования. Толщина слоя может быть измерена с помощью интерференционного микроскопа МИИ-4 так же, как это делается в случае окисных пленок.
Контроль качества проявления проводится для коррекции режимов цикла термообработка — экспонирование — проявление и заключается в периодических замерах «клина проявления» и ли нейных размеров элементов. (Под клином проявления понимают ширину переходного участка от защищенной фоторезистом поверх ности подложки к незащищенной.) При оптимальных режимах клин минимален.
Качество травления также во многом зависит от режимов фото литографических операций. При плохой обработке поверхности пластин или плохом качестве окисла наблюдается «растравливание» рельефа за счет ухудшения адгезии фоторезистивного слоя. К тако му же результату могут привести неправильное задубливание слоя фоторезиста, а также чрезмерное увеличение времени травления. Линейный размер элементов зависит не только от линейного размера элементов защитного рельефа, но и от режимов травления.
Контроль качества проявления и травления удобно проводить с помощью того же микроскопа МИИ-4, позволяющего с большей точностью измерять как величину «клина», так и линейные размеры элементов.
Контроль параметров диффузии заключается в определении глубины залегания р-п переходов и замеров поверхностей концен трации легированных областей по методике, используемой для кон троля в технологии любых диффузионных приборов. Как и в других случаях, в планарной технологии необходим входной контроль при-
37
